DE102016225651A1

DE102016225651A1 - Endzellen-heizungsanordnung und brennstoffzellen-stapel mit derselben

Info

Publication number: DE102016225651A1
Application number: DE102016225651.3A
Authority: DE
Inventors: Ju Han Kim; Sun Heum Baek; Young Bum Kum; Dae Jong Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Hanon Systems Corp; Kia Corp
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-12-07
Also published as: KR20170137280A; CN107464942A; CN107464942B; US10566636B2; KR101827123B1; US20170352900A1

Abstract

Eine Endzellen-Heizungsanordnung umfasst: ein Gehäuse, das eine erste Fläche aufweist, die mit einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist; ein planares Heizungselement, das in einer in einer zweiten Fläche des Gehäuses gebildeten Aufnahmenut angebracht ist; eine Anschlussplatte, die zwischen dem planaren Heizungselement und eine Endzelle des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt ist, mit der Endzelle zusammengeführt und elektrisch verbunden ist und durch das planare Heizungselement erzeugte Wärme an die Endzelle überträgt; und einen Anschluss, der einstückig mit der Anschlussplatte gebildet ist, um so elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt und durch die Anschlussplatte übertragen wird, nach außen abzugeben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Brennstoffzellenstapel. Insbesondere betrifft sie eine Endzellen-Heizungsanordnung und einen Brennstoffzellenstapel mit derselben, die in der Lage sind, ein Problem der Verschlechterung der Leistung einer Endzelle einer Brennstoffzelle zum Zeitpunkt eines Kaltstarts zu lösen.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumwandlungsvorrichtung, die chemische Energie von Kraftstoff/Brennstoff in elektrische Energie durch elektrochemisches Umsetzen eines Brenngases und eines Oxidationsmittelgases umwandelt und Industrie-, Haushalts- und Fahrzeug-Energiequellen verwendet wird, und die Brennstoffzelle kann verwendet werden, um kleinformatige elektrische-elektronische Produkte und mobile Vorrichtungen/Geräte mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die Forschung ist an Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (polymer electrolyte membrane fuel cells – PEMFC), die eine hohe elektrische Leistungsdichte aufweisen, als Brennstoffzellen für derzeitige Fahrzeuge durchgeführt werden.
1 zeigt eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Grundkonfiguration einer Elementarzelle/Einheitszelle einer Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle darstellt.
Wie dargestellt, ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 1, die eine Hauptbestandteilkomponente ist, an einer innersten Seite jeder Elementarzelle der Brennstoffzelle angeordnet.
Die Membranelektrodenanordnung 1 umfasst eine Festpolymer-Elektrolytmembran, die Wasserstoffionen bewegen kann, und eine Katode und eine Anode, die Elektrodenschichten darstellen, auf denen Katalysatoren an beiden Flächen/Oberflächen der Elektrolytmembran aufgebracht sind, so dass Wasserstoff und Sauerstoff eine Reaktion eingehen können.
Gasdiffusionsschichten (GDL) 2 sind an der Außenseite der Membranelektrodenanordnung 1 gestapelt, das heißt, die Außenseite, wo die Katode und die Anode angeordnet sind, und Bipolarplatten 3 und 4, die Strömungswege aufweisen, durch welche Reaktionsgase (Wasserstoff der ein Brenngas darstellt, und Sauerstoff oder Luft, der/die ein Oxidationsmittelgas darstellt) zugeführt werden und ein Kühlmittel hindurch strömt, sind an der Außenseite der Gasdiffusionsschichten 2 angeordnet.
Dichtungen 8 und dergleichen sind für eine Fluid-Abdichtung zwischen den Bipolarplatten 3 und 4 eingefügt und gestapelt, und die Dichtungen 8 können einstückig/integral mit der Membranelektrodenanordnung 1 oder den Bipolarplatten 3 und 4 gebildet sein.
Unter der Annahme, dass, auf der Grundlage der Membranelektrodenanordnung 1 in 1, eine linke Bipolarplatte 3 eine Anoden-Bipolarplatte ist und eine rechte Bipolarplatte 4 eine Kathoden-Bipolarplatte ist, sind Kanäle 5 zwischen den Gasdiffusionsschichten 2, die mit der Anode der Membranelektrodenanordnung 1 verbunden sind, und der Anode-Bipolarplatte 3 Anodenkanäle, durch welche Wasserstoff, der ein Brenngas ist, strömt.
Kanäle 6 zwischen den Gasdiffusionsschichten 2, die mit der Katode der Membranelektrodenanordnung 1 verbunden ist, und die Kathoden-Bipolarplatte 4 sind Kathodenkanäle, durch welche Luft (Sauerstoff) die ein Oxidationsmittel Gas ist, und Räume, die durch Bipolarplatten-Stegabschnitte 3A und 4A zwischen den benachbarten Anodenkanälen 5 und zwischen den benachbarten Kathodenkanälen 6 gebildet sind, sind Kühlmittelkanäle 7.
Diese Konfiguration/Anordnung findet eine Anwendung als Elementarzelle, eine Mehrzahl von Zellen ist gestapelt, Endplatten (nicht dargestellt), die die Zellen lagern/abstützen, sind an den äußersten Seiten der Zellen gekoppelt, und die Endplatten und die Zellen werden durch einen Stapelbefestigungsmechanismus (nicht dargestellt) in einem Zustand, in dem die Zellen zwischen den Endplatten gestapelt und angeordnet sind, miteinander verbunden, wodurch ein Brennstoffzellenstapel gebildet wird.
Jede der Elementarzellen hält eine niedrige Spannung im Betrieb aufrecht und als ein Ergebnis werden Dutzende oder Hunderte von Zellen in der Form eines Stapels hergestellt, indem sie in Reihe/nacheinander gestapelt werden, um die Spannung zu erhöhen, und als ein elektrischer Generator verwendet.
2 zeigt eine Schnittdarstellung, die schematisch einen durch Stapeln von Zellen gebildeten Brennstoffzellenstapel darstellt, und Endplatten sind mit beiden Enden eines Stapels 10, die Außenseiten der Zellen 9 darstellen, in einem Zustand gekoppelt, in dem die Zellen 9 gestapelt sind.
In diesem Fall kann eine durchdrungene Endplatte 11, die eine Verteileröffnung 11a aufweist, mit einem Ende beide Enden des Stapels 10 gekoppelt sein, und eine nicht durchdrungene Endplatte 12, die keine Verteileröffnung aufweist, kann mit dem anderen Ende, das dem einen Ende gegenüberliegt, gekoppelt sein.
In dieser Konfiguration/Anordnung, wenn Wasserstoff, Luft und ein Kühlmittel, die durch die Einlassverteiler 13 des Stapels 10 (die Einlassverteiler für Wasserstoff, Luft und ein Kühlmittel sind voneinander getrennt) zugeführt werden, in die jeweiligen Zellen 9 durch die Strömungswege der Bipolarplatten verteilt werden, strömen der Wasserstoff, Luft und das Kühlmittel durch die Anodenkanäle, die Kathodenkanäle bzw. die Kühlmittelkanäle, die Strömungswege der Bipolarplatten in jeder der Zellen darstellen, und danach werden Fremdstoffe wie beispielsweise nicht umgesetztes Gas, Stickstoff und Wasser und das Kühlmittel von den jeweiligen Zellen 9 unter dem Stapel 10 durch einen Auslassverteiler 14 abgeführt.
Stromabnehmerplatten 15 und 16, die Anschlüsse 15a bzw. 16a aufweisen, sind in den Endplatten 11 bzw. 12 vorgesehen.
Die Stromabnehmerplatten 15 und 16 sind elektrisch mit den Bipolarplatten der darin angeordneten Endzellen verbunden und geben einen elektrischen Strom, der durch eine Brennstoffzellenreaktion in allen Zellen 9 in dem Stapel 10 erzeugt wird, an die Außenseite durch die Anschlüsse 15a und 16a ab.
In der Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle wird Wasser (erzeugtes Wasser) zwangsläufig an der Kathodenseite infolge der Reaktion zwischen dem Brenngas (Wasserstoff in dem Reaktionsgas), das an den Anodenkanal zugeführt wird, und dem Oxidationsmittelgas (Luft oder Sauerstoff in dem Reaktionsgas), das an den Kathodenkanal zugeführt wird, erzeugt.
Wenn das erzeugte Wasser, das in den Zellen nach einem Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle verbleibt, bei einer niedrigen Temperatur gelassen wird, kann das erzeugte Wasser gefrieren und kann dann Poren der Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) und die Kanäle der Bipolarplatte (Strömungswege des Reaktionsgases) blockieren/verstopfen.
Aus diesem Grund kann das Reaktionsgas nicht gleichmäßig/problemlos zum Zeitpunkt eines Kaltstarts strömen, und als ein Ergebnis kann die Brennstoffzelle nicht normal arbeiten und eine Startzeit kann sich verzögern
Demzufolge, um die Kaltstartleistung zu gewährleisten und die Startzeit zu verkürzen, kann es erforderlich sein, gefrorene Feuchtigkeit/Feuchte unter Verwendung von elektrochemischer Reaktionswärme von der Brennstoffzelle selbst zu schmelzen und um gefrorene Feuchtigkeit/Feuchte unter Verwendung zusätzlicher Mittel, beispielsweise eine separate Heizquelle, zu schmelzen.
3 zeigt eine Ansicht, die eine Temperaturverteilung der Zellen unter einer normalen Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels darstellt.
Da der Brennstoffzellenstapel durch die Mehrzahl von Elementarzellen gebildet ist, werden die eine hohe Steifigkeit/Festigkeit aufweisenden Endplatten verwendet, um die Zellen mit gleichförmigem Druck zu pressen und zu befestigen.
Die Endplatte wird unter Verwendung eines Materials, wie beispielsweise Metall mit hoher thermischer Masse, hergestellt, um eine hohe Festigkeit aufrechtzuerhalten, und als ein Ergebnis ist, wie in 3 dargestellt, selbst in einem Fall, in dem die Brennstoffzelle normal arbeitet, eine Betriebstemperatur der Zelle an einem Ende des Stapels, das sich neben der Endplatte befindet, niedriger als die der Zellen innerhalb des Stapels, wodurch sich eine geringere Stromerzeugungseffizienz erkennen lässt.
Insbesondere benötigen die Zellen an dem Ende des Startens aufgrund eines Wärmeverlustes eine längere Zeit, um das gefrorene Wasser zum Zeitpunkt eines Kaltstarts zu schmelzen, was eine Verzögerung der Steinzeit verursacht.
Es ist berichtet worden, dass eine Spannung der Zellen an beiden Enden des Stapels in hohem Maße geringer als die der Zellen innerhalb des Stapels und einer Kaltstartbedingungen der Brennstoffzelle sein kann.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMESENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung ist im Bestreben gemacht worden, um die oben beschriebenen und mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen und um eine Endzellen-Heizungsanordnung und einen Brennstoffzellenstapel mit derselben bereitzustellen, die in der Lage sind, ein Problem der Leistungsverschlechterung einer Endzelle einer Brennstoffzelle zum Zeitpunkt eines Kaltstarts zu lösen.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Offenbarung bereit eine Endzellen-Heizungsanordnung, die einen Heizbetrieb durchführt, indem sie mit elektrischer Energie bzw. elektrischen Strom von einer Energiequelle/Strom versorgt wird, die zwischen gestapelt und eingefügt ist zwischen Endzellen, die gestapelt sind, so dass sie an beiden Enden unter einer Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugen, indem sie mit Reaktionsgas in einem Brennstoffzellenstapel versorgt werden, angeordnet sind, und Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels, um so Wärme an die jeweiligen Endzellen zum Zeitpunkt des Heizbetriebs bereitzustellen, um eine Temperatur der Endzelle zu erhöhen, und weist einen Bypass-Strömungsweg auf, so dass zumindest ein Gas aus Luft und Wasserstoff, die an den Brennstoffzellenstapel als Reaktionsgase zugeführt werden, an den Bypass-Strömungsweg verteilt wird und durch diesen strömen.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Offenbarung eine Endzellen-Heizungsanordnung bereit, umfassend: ein Gehäuse, das eine erste Fläche/Oberfläche aufweist, die mit einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist; ein planares/ebenes Heizungselement, dass in einer in einer zweiten Fläche/Oberfläche des Gehäuses gebildeten Aufnahmenut angebracht ist; eine Anschlussplatte, die zwischen dem planaren Heizungselement und eine Endzelle des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt ist, mit der Endzelle zusammengeführt und elektrisch verbunden ist und durch das planare Heizungselement erzeugte Wärme an die Endzelle überträgt; und einen Anschluss, der einstückig/integral mit der Anschlussplatte gebildet ist, um so elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt und durch die Anschlussplatte übertragen wird, nach außen bzw. die Außenseite abzugeben.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Offenbarung bereit einen Brennstoffzellenstapel, umfassend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die durch Stapeln derselben bereitgestellt wird, und elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, indem sie mit Reaktionsgasen versorgt wird; Endplatten, die an beiden in Positionen des Brennstoffzellenstapels außerhalb der gestapelten Brennstoffzellen gestapelt sind; und eine Endzellen-Heizungsanordnung, die einen Heizbetrieb durchführt, indem sie mit elektrischer Energie versorgt wird, ist zwischen Endzellen, die gestapelt sind, so dass sie an beiden Enden unter den gestapelten Brennstoffzellen angeordnet sind, und Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt, um so Wärme an die jeweiligen Endzellen zum Zeitpunkt des Heizbetriebs zu liefern/bereitzustellen, um eine Temperatur der Endzelle zu erhöhen, und weist einen Bypass-Strömungsweg auf, so dass zumindest ein Gas aus Luft und Wasserstoff, die an den Brennstoffzellenstapel als Reaktionsgase zugeführt werden, durch den Bypass-Strömungsweg verteilt wird und durch diesen strömt.
Demzufolge können die Endzellen-Heizungsanordnung und der Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Offenbarung Effekte zum Erhöhen einer Temperatur der an beiden Endabschnitten des Stapels angeordneten Endzelle unter einer Kaltstartbedingungen der Brennstoffzelle, Verhindern der Verschlechterung der Leistung, die durch einen Wärmeverlust der Endzelle verursacht wird, Verbessern der Verteilungsgehilfen des Reaktionsgases an der Endzelle, Verhindern eines Zuflusses von Tröpfchen (vorbei strömende Tröpfchen, die einströmen), Verringern der Kaltstartzeit, Verbessern der Kaltstartleistung und Verhindern eines Spannungsabfalls und eines Verlustes der elektrischen Energie, die durch die vorhandene Dummy-Zelle verursacht werden, bereitstellen.
Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Offenbarung werden nachfolgend erläutert.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, die im Folgenden nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. In den Figuren zeigen:
1 eine Schnittdarstellung, die eine Grundkonfiguration einer Elementarzelle einer Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle darstellt;
2 eine Schnittdarstellung, die schematisch einen öffentlich bekannten Brennstoffzellenstapel darstellt, der durch Stapeln von Zellen gebildet ist;
3 eine Ansicht, die eine Temperaturverteilung der Zellen unter einer normalen Betriebsbedingung eines Brennstoffzellenstapels darstellt;
4 eine Schnittdarstellung, die einen Brennstoffzellenstapel mit Dummy-Zellen darstellt;
5 eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Konfiguration/Anordnung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
6 eine perspektivische Ansicht im Montagezustand, die eine Endzellen-Heizungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
7 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Endzellen-Heizungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Offenbarung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren verweisen die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Offenbarung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Offenbarung auf jene Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Offenbarung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Offenbarung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben, so dass ein Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört, die Ausführungsbeispiele auf einfache Weise ausführen kann. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und kann durch andere Ausgestaltungen angegeben werden.
Sofern nicht anders beschrieben, wird das Wort ”aufweisen/umfassen” und Variationen, wie beispielsweise ”weist auf/umfasst” oder ”aufweisend/umfassend” derart verstanden, dass es die Einbeziehung der genannten Elemente und nicht den Ausschluss von anderen Elementen bedeutet.
Zur Veranschaulichung wird zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung vor der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ein Brennstoffzellenstapel mit Dummy-Zellen zuerst beschrieben.
4 zeigt eine Schnittdarstellung, die einen Brennstoffzellenstapel mit Dummy-Zellen darstellt.
Wie dargestellt ist, sind die Endplatten 11 und 12 mit beiden Enden eines Stapels 10, die Außenseiten der Zellen 9 darstellen, in einem Zustand gekoppelt, in dem die Zellen 9 gestapelt sind.
In diesem Fall kann eine durchdrungene Endplatte 11, die eine Verteileröffnung 11a aufweist, mit einem Ende der beiden Enden des Stapels 10 gekoppelt sein, und eine nicht durchdrungene Endplatte 12, die keine Verteileröffnung aufweist, kann mit dem anderen Ende, das dem einen Ende gegenüberliegt, gekoppelt sein.
In dieser Konfiguration/Anordnung, wenn Wasserstoff, Luft und einem Kühlmittel, die durch Einlassverteiler 13 des Stapels 10 (die Einlassverteiler für Wasserstoff, Luft und Kühlmittel sind voneinander getrennt) zugeführt werden, in die jeweiligen Zellen 9 durch Bipolarplatten verteilt werden, strömen der Wasserstoff, die Luft und das Kühlmittel durch Anodenkanäle, Kathodenkanäle bzw. Kühlmittelkanäle, die Strömungswege der Bipolarplatten in jeder der Zellen 9 darstellen, und danach werden Fremdstoffe, wie beispielsweise nicht umgesetztes Gas, Stickstoff und Wasser, und das Kühlmittel von den Zellen 9 und dem Stapel 10 durch einen Auslassverteiler 14 abgeführt.
Stromabnehmerplatten 15 und 16, die Anschlüsse 15a bzw. 16a aufweisen, sind jeweils in den Endplatten 11 und 12 vorgesehen und die Stromabnehmerplatten 15 und 16 sind elektrisch mit den Bipolarplatten der darin angeordneten Dummy-Zellen 17 verbunden und geben elektrischen Strom, der durch eine Brennstoffzellenreaktion in allen der Zellen 9 in dem Stapel 10 erzeugt wird, an die Außenseite durch die Anschlüsse 15a und 16a ab.
Mehrere Zellen in dem Stapel 10, die sich neben den jeweiligen Endplatten 11 und 12 des Stapels 10 befinden, sind als die Dummy-Zellen 17 und 18 ausgebildet, um die Verteilungseigenschaften der Reaktionsgase an Endzellen, die an beiden Enden des Stapels 10 angeordnet sind (Zellen, die an Enden des Stapels 10 unter den Reaktionszellen angeordnet sind, was nachfolgend beschrieben wird), zu verbessern und um Tröpfchen, die einströmen, umzuleiten und abzuführen.
Demzufolge können die Zellen, die den Stapel 10 bilden, in die Reaktionszellen (Elementarzellen mit einer typischen Konfiguration/Anordnung) 9, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugen, indem sie mit dem Reaktionsgas versorgt werden, und die Dummy-Zellen 17 und 18, die an beiden Endabschnitten der Reaktionszellen 9 gestapelt sind, klassifiziert werden.
Im Unterschied zu der Reaktionszellen 9, die eine typische Konfiguration einschließlich der Anoden-Bipolarplatte, der Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), der Membranelektrodenanordnung (MEA), der Gasdiffusionsschicht und der Kathoden-Bipolarplatte aufweist, weist die Dummy-Zelle 17 keine Membranelektrodenanordnung auf und verwendet eine Bipolarplatte, die der Dummy-Zelle zugeordnet ist.
Im Nachfolgenden wird die Reaktionszelle, die an dem Ende neben der Dummy-Zelle unter den Reaktionszellen 9 angeordnet ist, als eine Endzelle bezeichnet und die Mehrzahl von Dummy-Zellen 17 ist zusätzlich zwischen den Endplatten 11 und 12 außerhalb der Endzellen mit einer typischen Konfiguration/Anordnung der Elementarzellen gestapelt, wodurch der Stapel 10 gebildet ist.
In diesem Fall sind der Dummy-Zelle zugeordnete Bipolarplatten, die an äußersten Enden unter den an den Endabschnitten des Stapels 10 gestapelten Dummy-Zellen angeordnet sind, elektrisch mit den an den Endplatten 11 und 12 angebrachten Stromabnehmerplatten 15 und 16 verbunden.
Wenn die der Dummy-Zelle zugeordnete Bipolarplatte mit der Bipolarplatte der Reaktionszellen 9 verglichen wird, weist die Bipolarplatte der Reaktionszellen 9 Einlass- und Auslassverteileröffnungen auf, durch welche die jeweiligen Reaktionsgase und das Kühlmittel ein- und ausströmen, und Kanäle, die Strömungswege der jeweiligen Reaktionsgase und des Kühlmittels darstellen, so dass Wasserstoff, was das Brenngas darstellt, Luft, die das Oxidationsmittelgas darstellt, und dass Kühlmittel in die Einlass- und Auslassverteileröffnungen und die Kanäle strömen können, durch diese hindurch strömen können und von diesen abgeführt werden können, wobei die der Dummy-Zelle zugeordnete Bipolarplatte lediglich Einlass- und Auslassverteileröffnungen und einen Kanal für Wasserstoff, der das Brenngas darstellt, oder Einlass- und Auslassverteileröffnungen und einen Kanal für Luft, die das Oxidationsmittel Gas darstellt, aufweist.
Demzufolge muss der Stapel 10 durch separates und wiederholtes Stapeln nur der Mehrzahl von Gasdiffusionsschichten und der Mehrzahl von den Dummy-Zellen zugeordneten Bipolarplatten an beiden Endabschnitten des Stapels 10 montiert/zusammengebaut werden, um die Dummy-Zelle 17 zu bilden, und als ein Ergebnis gibt es einen Nachteil bei der Massenproduktion des Brennstoffzellenstapels durch Verwendung einer automatischen Stapelanlage.
Weiterhin sind, da die der Dummy-Zelle zugeordnete Bipolarplatte zusätzlich erforderlich ist, zusätzliche Produktionsanlagen zum Herstellen der zugeordneten Bipolarplatte notwendig, und aufgrund der zwischen den der Dummy-Zelle zugeordneten Bipolarplatten im Hinblick auf eine Stapelsequenz gestapelten Gasdiffusionsschicht, wobei die Mehrzahl von Dummy-Zellen 17 gebildet wird, treten ein Spannungsabfall und ein elektrischer Energieverlust auf, wenn durch die Reaktionszellen 9 der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie an die Außenseite/nach außen durch die Stromabnehmerplatten 15 und 16 abgegeben wird.
Wenn das Kühlmittel zwischen den Dummy-Zellen in einem Zustand strömt, in dem die Mehrzahl von Dummy-Zellen 17 vorgesehen ist, wird eine Betriebstemperatur der an beiden Enden der Reaktionszellen 9 angeordneten Endzellen verringert, und insbesondere kann sich die Effizienz des Betriebs aufgrund des unter einer Kaltstartbedingung der Brennstoffzelle abgekühlten Kühlmittels weiter verschlechtern.
Demzufolge ist die Endzellen-Heizungsanordnung offenbart, die eine Temperatur der an dem Ende der Reaktionszelle des Brennstoffzellenstapels angeordneten Endzelle erhöht.
Die Endzellen-Heizungsanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung stellt Effekte/Wirkungen zum Erhöhen einer Temperatur der an beiden Endabschnitten des Stapels unter einer Kaltstartbedingung der Brennstoffzelle, Verhindern einer Verschlechterung der Leistung, die durch einen Wärmeverlust der Endzelle verursacht wird, Verbessern der Verteilungseigenschaften des Reaktionsgases an der Endzelle, Verhindern eines Einströmens von Tröpfchen und Verhindern eine Spannungsabfalls und eines Verlusts an elektrischer Energie, was durch die bestehende Dummy-Zelle verursacht wird, bereit.
5 eine Schnittdarstellung, die schematisch eine Konfiguration/Anordnung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
Wie dargestellt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung eine Struktur/Anordnung auf, in der Reaktionszellen 9 mit der Membranelektrodenanordnung (MEA), den Gasdiffusionsschichten (GDL), den Kathoden-Bipolarplatten, den Anoden-Bipolarplatten und den Dichtungen gestapelt sind, und jede der Reaktionszellen 9 erzeugt elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion, indem sie mit dem Reaktionsgas versorgt werden.
Die Membranelektrodenanordnungen in jeder der Reaktionszellen 9 umfasst eine Festpolymer-Elektrolytmembran, die Wasserstoffionen bewegen kann, und eine Katode und eine Anode, die Elektrodenschichten sind, auf denen Katalysatoren an beiden Flächen/Oberflächen der Elektrolytmembran aufgebracht sind, so dass Wasserstoff und Sauerstoff eine Reaktion eingehen können.
Die Gasdiffusionsschichten (GDL) sind an der Außenseite der Membranelektrodenanordnung in jeder der Reaktionszellen 9 gestapelt, das heißt die Außenseite, wo die Katode und die Anode angeordnet sind, und die Bipolarplatten, die Strömungswege aufweisen, durch welche Reaktionsgase (Wasserstoff, der das Brenngas darstellt, und Sauerstoff oder Luft, der/die das Oxidationsmittelgas darstellt) zugeführt werden und das Kühlmittel hindurch strömt, an der Außenseite der Gasdiffusionsschichten angeordnet.
Die Dichtungen oder dergleichen für eine Fluid-Abdichtung sind zwischen den Bipolarplatten eingesetzt und gestapelt und die Dichtungen können integral/einstückig mit der Membranelektrodenanordnung oder der Bipolarplatte gebildet sein.
Kanäle zwischen der mit der Anode der Membranelektrodenanordnung verbundenen Gasdiffusionsschicht und der Anoden-Bipolarplatte sind Anodenkanäle, durch welche Wasserstoff, der das Brenngas darstellt, strömt, und Kanäle zwischen der mit der Katode der Membranelektrodenanordnung verbundenen Gasdiffusionsschicht und der Kathoden-Bipolarplatte sind Kathodenkanäle, durch welche Luft (Sauerstoff), die das Oxidationsmittel Gas darstellt, strömt, und Räume, die durch Bipolar-Stegabschnitte zwischen den benachbarten Anodenkanälen und zwischen den benachbarten Kathodenkanälen, gebildet sind, stellen Kühlmittelkanäle dar.
In dieser Konfiguration/Anordnung werden Wasserstoff, Luft und ein Kühlmittel, die durch die Einlassverteiler 13 des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt werden, an die jeweiligen Reaktionszellen 9 durch die jeweiligen Bipolarplatten verteilt, der Wasserstoff, die Luft und das Kühlmittel strömen durch die Anodenkanäle, die Kathodenkanäle und die Kühlmittelkanäle, die Strömungswege der Bipolarplatten in jeder der Reaktionszellen 9 darstellen, und danach werden Fremdstoffe, wie beispielsweise nicht umgesetztes Gas, Stickstoff und Wasser, und das Kühlmittel von den jeweiligen Reaktionszellen 9 und dem Stapel 10 durch den Auslassverteiler 14 abgeführt.
Die Endzellen-Heizungsanordnungen 20 sind zwischen den jeweiligen Endplatten 11 und 12 und den Reaktionszellen 9 an beiden Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 gestapelt und eingesetzt.
Die Endzellen-Heizungsanordnungen 20, die an beiden Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 angebracht/montiert sind, weisen jeweils ähnliche Konfigurationen/Anordnungen auf, und als ein Ergebnis erfolgt die folgende Beschreibung ohne Unterscheidung der beiden Endzellen-Heizungsanordnungen.
Die Endzellen-Heizungsanordnung 20 umfasst ein Gehäuse 21, ein ebenes/planares Heizelement 22 zum Heizen der Endzelle, eine Stromabnehmer-Anschlussplatte 23 und einen Anschluss 23a.
Erstens weist das Gehäuse 21 auf Einlassverteileröffnungen 21a und 21b und Auslassverteileröffnungen 21c und 21d, die an beiden Endabschnitten derselben durchdringend gebildet sind, und Bypass-Strömungswege 21e und 21f, die gebildet sind, um in den Innenraum einzudringen, so dass die Endzellen-Heizungsanordnung 20 als eine Dummy-Zelle arbeiten/wirken kann, die eine metallische Bipolarplatte in einem öffentlich bekannten Brennstoffzellenstapel umfasst.
Hierbei umfassen die Bypass-Strömungswege 21e und 21f zumindest einen Kanal.
Genauer gesagt können die Bypass-Strömungswege 21e und 21f einen einzelnen Kanal oder eine Mehrzahl von Kanälen umfassen, um zu ermöglichen, dass Wasserstoff, der das Brenngas darstellt, oder Luft, die das Oxidationsmittelgas darstellt, dort hindurch strömen können, oder können Kanäle umfassen, die gebildet sind, um zu ermöglichen, dass der Wasserstoff bzw. die Luft dort hindurch strömen können.
In diesem Fall sind die Einlassverteileröffnungen 21a und 21b und die Auslassverteileröffnungen 21c und 21d an beiden Endabschnitten des Gehäuses 21 für die jeweiligen Kanäle gebildet, und die Kanäle sind gebildet, um die Einlassverteileröffnungen 21a und 21b und die Auslassverteileröffnungen 21c und 21d zu verbinden.
D. h., das Gehäuse 21 kann zumindest einen Wasserstoffkanal 21e oder zumindest einen Luftkanal 21f umfassen, der die Einlassverteileröffnungen 21a und 21b und die Auslassverteileröffnungen 21c und 21d verbindet, oder kann sowohl den Wasserstoffkanal 21e als auch den Luftkanal 21f umfassen.
Selbst in einem Fall, in dem das Gehäuse 21 sowohl den Wasserstoffkanal 21e als auch den Luftkanal 21f umfasst, kann ein einzelner Wasserstoffkanal 21e oder eine Mehrzahl von Wasserstoffkanälen 21e gebildet sein, und ein einzelner Luftkanal 21f oder eine Mehrzahl von Luftkanälen 21f kann gebildet sein.
In dem Fall der Reaktionszellen 9 in dem Brennstoffzellenstapel bilden Strömungswege, die an Flächen/Oberflächen der Bipolarplatten gebildet sind, die Kanäle für die jeweiligen Reaktionsgase und das Kühlmittel in einem Zustand, in dem die Zellen gestapelt sind, aber die Bypass-Strömungswege 21e und 21f des Gehäuses 21, das heißt, die Kanäle 21e und 21f des Gehäuses, sind innere durchdringende Strömungswege, die den Innenraum bzw. das Innere des Gehäuses durchdringen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 21 eine Mehrzahl von Platten umfassen, die zusammengebaut/montiert werden, indem sie aufeinandergestapelt werden, und in diesem Fall können die gestapelten und montierten Platten rillenförmige Strömungswege aufweisen, die an/auf der Fläche/Oberfläche derselben entlang vorgegebener Wege/Verläufe gebildet sind, um so die Kanäle 21e und 21f zu bilden, die die inneren durchdringenden Strömungswege darstellen.
In diesem Fall können Strömungswege zum Bilden der Kanäle 21e und 21f an/auf einer Fläche/Oberfläche einer Platte der beiden Platten, die miteinander verbunden und gestapelt sind, um so die Kanäle 21e und 21f zu bilden, gebildet sein, oder Strömungswege zum Bilden einzelner Kanäle können an beiden Flächen/Oberflächen der beiden Platten, die miteinander verbunden sind, gebildet sein.
Rillenförmige Strömungswege sind entlang der gleichen Wege/Verläufe an Flächen/Oberflächen der beiden Platten, die miteinander verbunden sind, gebildet, so dass, wenn die beiden Platten gestapelt und verbunden sind, die beiden Strömungswege, die auf/an den Flächen/Oberflächen der beiden Platten gebildet sind, die miteinander verbunden sind, zusammengefasst/verbunden sind, um einen abgedichteten einzelnen Kanal zu bilden.
Ein Ausführungsbeispiel in 7 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, in dem zwei Bypass-Strömungswege 21e und 21f, das heißt, der Wasserstoffkanal 21e und der Luftkanal 21f, durch welche Wasserstoff beziehungsweise Luft strömen können, in dem Gehäuse 21 vorgesehen sind, und als ein Beispiel, wenn das Gehäuse 21 den Wasserstoffkanal 21e und den Luftkanal 21f wie in 7 dargestellt aufweist, können 3 Platten gestapelt sein, um das Gehäuse zu bilden, obwohl dies nicht dargestellt ist.
Genauer gesagt sind rillenförmige Strömungswege zum Bilden des Wasserstoffkanals 21e mit einem vorgegebenen Weg/Verlauf entlang desselben Weges/Verlaufes an/auf beiden Flächen/Oberflächen der beiden Platten gebildet, die miteinander verbunden sind und aufeinandergestapelt sind, unter den drei Platten, die das Gehäuse 21 bilden, so dass, wenn die beiden Platten gestapelt und verbunden sind, die an/auf den Flächen/Oberflächen der beiden Platten gebildeten Strömungswege zusammengefasst/kombiniert sind, um einen abgedichteten Strömungsweg zu bilden, das heißt, den Wasserstoffkanal 21e.
In diesem Fall sind rillenförmige Strömungswege zum Bilden des Luftkanals 21f mit einem vorgegebenen Weg/Verlauf entlang desselben Weges/Verlaufes an zwei Flächen/Oberflächen der beiden Platten gebildet, die unter den drei Platten miteinander verbunden sind und aufeinandergestapelt sind, so dass, wenn die beiden Platten gestapelt und verbunden sind, die an den Flächen/Oberflächen der beiden Platten gebildeten Strömungswege zusammengefasst/kombiniert sind, um einen abgedichteten Strömungsweg zu bilden, das heißt, den Luftkanal 21f.
Natürlich können in dem Fall der Zwischenplatte unter den drei Platten Strömungswege an beiden Flächen/Oberflächen der Platte gebildet sein, und der an einer Fläche/Oberfläche der Platte gebildete Strömungsweg, der die an beiden Flächen/Oberflächen desselben gebildeten Strömungswege aufweist, wird verwendet, um den Wasserstoffkanal 21e zu bilden, und der an der anderen Fläche/Oberfläche gebildete Strömungsweg wird verwendet, um den Luftkanal 21f zu bilden.
Das vorgenannte Beispiel stellt lediglich ein Beispiel zum Konfigurieren/Ausbilden des Gehäuses 21 dar, und die Anzahl der Wasserstoffkanäle 21e und Luftkanäle 21f, die in dem Gehäuse 21 als die Bypass-Strömungswege vorgesehen sind, die Anzahl der Platten, die gestapelt sind, um das Gehäuse 21 zu konfigurieren/auszubilden, die Anzahl der Strömungswege, die in den jeweiligen Platten gebildet sind und vorgegebene Verläufe/Wege aufweisen, und ob die Strömungswege an/auf einer Fläche/Oberfläche der Platte oder beiden Flächen/Oberflächen der Platte gebildet sind, sind nicht besonders beschränkt, sondern können auf verschiedene Weise geändert und modifiziert und dann ausgeführt und angewendet werden, und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Wie dargestellt, sind die an beiden Endabschnitten des Gehäuses 21 gebildeten Einlassverteileröffnungen 21a und 21b als eine Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung 21a und eine Lufteinlass-Verteileröffnung 21b ausgebildet, und die Auslassverteileröffnungen 21c und 21d sind als eine Wasserstoffauslass-Verteileröffnung 21c und einen Luftauslass-Verteileröffnung 21d ausgebildet.
Die Einlassverteileröffnungen 21a und 21b und die Auslassverteileröffnungen 21c und 21d des Gehäuses 21 stehen mit der Einlassöffnung 13 beziehungsweise der Auslassöffnung 14 der Reaktionszellen 9 in Verbindung.
Hierbei werden die Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung 21a und die Wasserstoffauslass-Verteileröffnung 21c des Gehäuses 21 Teile des Wasserstoffeinlassverteiler bzw. des Wasserstoffauslassverteilers des Brennstoffzellenstapels 10 und stehen mit dem Wasserstoffeinlassverteiler 13 bzw. dem Wasserstoffauslassverteiler 14 in Verbindung, die durch die Bipolarplatten der Reaktionszellen 9, die gestapelt sind, gebildet sind.
Die Lufteinlass-Verteileröffnung 21b und Luftauslass-Verteileröffnung 21d des Gehäuses 21 werden Teile des Lufteinlassverteilers bzw. des Luftauslassverteilers des Brennstoffzellenstapels 10 und sind mit dem Kathoden-Einlassverteiler und dem Kathoden-Auslassverteiler verbunden, die durch die Bipolarplatten der Reaktionszellen 9, die gestapelt sind, gebildet sind.
Die Wasserstoffkanäle 21e der Bypass-Strömungswege sind mit der Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung 21a und der Auslassverteileröffnungen 21c des Gehäuses 21 verbunden, und in diesem Fall sind die jeweiligen Wasserstoffkanäle 21e gebildet, um den Innenraum bzw. das Innere des Gehäuses 21 zu durchdringen, umso die Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung 21a und die Wasserstoffauslass-Verteileröffnung 21c zu verbinden.
Die Luftkanäle 21f der Bypass-Strömungswege sind mit der Lufteinlass-Verteileröffnung 21b und der Luftauslass-Verteileröffnung 21d des Gehäuses 21 verbunden, und in diesem Fall sind die jeweiligen Luftkanäle gebildet, um den Innenraum bzw. das Innere des Gehäuses 21 zu durchdringen, um so die Lufteinlass-Verteileröffnung 21b und Luftauslass-Verteileröffnung 21d zu verbinden.
Demzufolge wird Wasserstoff, der das durch dem Wasserstoffeinlassverteiler 13 an der Seite der Reaktionszellen 9 einströmende Brenngas darstellt, verteilt und strömt in den Wasserstoffkanal 21e der Bypass-Strömungswege durch die Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung 21a des Gehäuses 21, und der Wasserstoff wird zu der Wasserstoffauslass-Verteileröffnung 21c des Gehäuses 21 abgeführt und dann zu der Außenseite des Stapels 10 durch dem Wasserstoffauslassverteiler 14 an der Seite der Reaktionszellen 9 abgeführt.
Ebenso wird Luft (Oxidationsmittelgas), die durch den Lufteinlassverteiler an der Seite der Reaktionszellen 9 einströmt, verteilt und strömt in den Luftkanal 21f der Bypass-Strömungswege durch die Lufteinlass-Verteileröffnung 21b des Gehäuses 21, und die Luft wird zu der Luftauslass-Verteileröffnung 21d des Gehäuses 21 abgeführt und dann an die Außenseite des Stapels durch den Luftauslassverteiler an der Seite der Reaktionszellen 9 abgeführt.
Da die Bypass-Strömungsweg 21e und 21f in dem Gehäuse 21 der oben beschriebenen Endzellen-Heizungsanordnung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, ist es möglich, Tröpfchen oder dergleichen, die in den Brennstoffzellenstapel strömen, zu einem Gasauslass durch die Bypass-Strömungsweg 21e und 21f umzuleiten und somit die Verteilungseigenschaften der Reaktionsgase zu verbessern.
Unterdessen ist, wie in 7 dargestellt, ein Verbindungsstück/Verbindungselement 25 an/auf dem Gehäuse 21 angebracht, so dass elektrische Energie an das planare Heizelement 22 durch das Verbindungsstück 25 zugeführt werden kann, und das Verbindungsstück 25 dient zur Aufnahme des planaren Heizelements 22 und von Zubehör, wie beispielsweise ein Stromabnehmer (eine Anschlussplatte 23, die nachfolgend beschrieben wird).
In dem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 21 unter Verwendung eines Kunstharz-(Kunststoff)Materials gebildet und hergestellt sein, das ein elektrisch nicht-leitendes Material, insbesondere ein elektrisch und thermisch nicht-leitendes Material darstellt, um einen Wärmedämmungseffekt für die Endzelle zu gewährleisten, einen Wärmeverlust der Heizung in Richtung der Endplatten 11 und 12 zu minimieren und eine elektrische Isolierung sicherzustellen.
Eine Fläche/Oberfläche des Gehäuses 21 ist mit den Endplatten 11 und 12 verbunden und die andere Fläche/Oberfläche, die der einen Fläche/Oberfläche gegenüber liegt, ist mit der Reaktionszellen 9 verbunden und auf dieser gestapelt, und eine Aufnahmenut 21g, in welche das planare Heizelement 22 und die Anschlussplatte 23 eingesetzt werden können, ist an/auf der Fläche/Oberfläche gebildet, mit der die Reaktionszellen 9 verbunden ist.
Das heißt, das planare Heizelement 22 und die Anschlussplatte 23 sind in der Aufnahmenut 21g des Gehäuses 21 in einem Zustand aufgenommen, in dem das planaren Heizelement 22 und die ein Anschlussplatte 23 gestapelt sind, und das planare Heizelement 22 ist in die Aufnahmenut 21g des Gehäuses 21 eingefügt/eingesetzt und dann wird die Anschlussplatte 23 mit dem planaren Heizelement 22 verbunden und auf diesem gestapelt.
In dem Ausführungsbeispiel kann eine Wärmedämmungsschicht 24 gestapelt und zwischen dem planaren Heizelement 22 und einer Innenfläche der Aufnahmenut 21g des Gehäuses 21 eingefügt sein.
Das planare Heizelement 22 ist ein Heizmittel, bei dem eine Außenfläche eines Heizelements 22a mit einer Hülle (Mantel) 22b aus einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist, so dass es von der Außenseite vollständig und elektrisch isoliert ist, und das Verbindungsstück 25, das mit einer externen Stromquelle verbunden ist, ist mit einer Seite des planaren Heizelements 22 verbunden, so dass das planare Heizelement 22 mit einem Betriebsstrom von der externen Stromquelle versorgt wird.
Insbesondere, da die Anschlussplatte 23 mit einer Fläche/Oberfläche des planaren Heizelements 22 verbunden und auf diesem gestapelt ist, kann ein vollständiger elektrischer Isolationszustand der Anschlussplatte und des Heizelements 22a durch die Hülle 22a aufrechterhalten werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann die externe Stromquelle/Energiequelle sein, die das planare Heizelement 22 mit dem Betriebsstrom versorgt, und in diesem Fall kann eine Stromversorgungschaltungseinheit (nicht dargestellt) die die erzeugte elektrische Leistung einstellt/anpasst, die von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegeben wird, und die elektrische Energie an das Verbindungsstück 25 zuführt, vorgesehen sein.
In einem Fall, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 als die Energiequelle für das planare Heizelement 22 verwendet wird, ist es möglich, das in der Zelle 9 erzeugte Restwasser zum Zeitpunkt eines Kaltstarts aufgrund der Wärmewirkung durch das planare Heizelement 22 und eine Wärmewirkung des Stapels selbst, die durch eine elektrochemische Reaktionswärme der Zelle 9 verursacht wird, schneller zu schmelzen.
Selbstverständlich können anstelle des Brennstoffzellenstapels 10 andere Stromquellen/Energiequellen, z. B. eine Batterie (nicht dargestellt) in dem Fahrzeug verwendet werden, und in diesem Fall ist die elektrische Stromversorgungsschaltungseinheit eingerichtet, so dass das planaren Heizelement 22 mit einem Betriebsstrom von der Batterie durch das Verbindungstück 25 versorgt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das planare Heizelement 22 eine Dünnschichtstruktur aufweist, um die Leistungsdichte im Vergleich zu einem Volumen des Stapels 10 zu verbessern, und als das interne Heizelement 22a kann ein Widerstandsheizelement, dass als ein metallischer Dünnfilm hergestellt ist oder durch ein Verfahren, wie beispielsweise ein CNT-(carbon naon tube – Kohlenstoff-Nanoröhrchen)Drucken hergestellt ist, verwendet werden, oder es kann ein PTC-(Positive Temperature Coefficient)Element, das eine Temperatur regeln und autark ein Überhitzen verhindern kann, verwendet werden.
Das Heizelement unter Verwendung des PTC-Elements ist insofern vorteilhaft, dass der folgende Temperatursensor und das folgende Verfahren zum Steuern, durch eine Steuereinheit/Regeleinheit, des Heizelements auf der Grundlage eines Signals von dem Temperatursensor nicht erforderlich sind, weil das Heizelement ein Heizelement wird, das autark eine maximale Heiztemperatur begrenzt.
Ein separater Temperatursensor 22c kann an der Peripherie des Heizelements 22 vorgesehen sein und eine Steuerung bzw. Regler (nicht dargestellt, der Regler führt eine Regelung der Betriebsstromversorgung durch die elektrische Stromversorgungsschaltungseinheit durch), die/der einem Betrieb des planaren Heizelements 22 steuert/regelt, ein Signal von dem Temperatursensor 22c empfängt, und die Steuerung bzw. der Regler kann eine Heiztemperatur auf der Grundlage des Signals von dem Temperatursensor 22c steuern/regeln, wenn das Heizelement arbeitet bzw. in Betrieb steht.
In diesem Fall kann der Temperatursensor 22c verwendet werden, um eine Temperatur der Endzelle an der äußersten Seite zu messen, wenn das Heizelement 22a nicht arbeitet.
Der Anschluss 23a, der derart montiert ist, dass er der Reihe nach/nacheinander das planare Heizelement 22, die Wärmedämmungsschicht 24, das Gehäuse 21 und die Endplatten 11 und 12 durchdringt, ist einstückig/integral mit einer Fläche/Oberfläche der Anschlussplatte 23 gebildet, und Durchgangslöcher 26a, 26b und 26c, durch welche der Anschluss 23a hindurchtritt/verläuft, sind in dem planaren Heizelement 22, der Wärmedämmungsschicht 24, dem Gehäuse 21 und den Endplatten 11 und 12 gebildet.
Das Durchgangsloch 26c des Gehäuses 21 ist in einem Abschnitt des Gehäuses 21, in dem der Wasserstoffkanal 21e und der Luftkanal 21f nicht gebildet sind, durchdringend gebildet, und das Durchgangsloch 26a des planaren Heizelements 22 muss derart gebildet sein, so dass der Anschluss 23a, der durch das Durchgangsloch 26a hindurchgeht/verläuft, nicht mit dem internen Heizelement 22a elektrisch verbunden ist.
Zu diesem Zweck ist ein Durchgangsloch, das größer als eine Querschnittsfläche des Anschlusses 23a ist, in dem internen Heizelement 22a gebildet, und ein innerer Umfangsabschnitt des Durchgangslochs des internen Heizelements 22a ist vollständig mit der Hülle 22b beschichtet, so dass ein vollständig elektrisch isolierter Zustand zwischen dem Anschluss 23a und dem internen Heizelement 22a beibehalten werden kann.
Alternativ können die internen Heizelemente 22a um das Durchgangsloch 26a herum angeordnet sein und die Heizelemente 22a können durch Abschnitte, die von dem Durchgangsloch 26a und dem Anschluss 23a beabstandet sind, elektrisch verbunden sein.
Die Anschlussplatte 23 kann mit der an der äußersten Peripherie angeordneten Zelle in direkten Kontakt stehen, das heißt, die in Zelle unter den gestapelten Reaktionszelle 9, und kann ebenfalls mit der Bipolarplatte der Endzelle in Kontakt stehen oder kann mit der Gasdiffusionsschicht (GDL) der Endzelle in einem Zustand in Kontakt stehen, indem die Bipolarplatte weggelassen ist.
Insgesamt steht eine Fläche/Oberfläche des planaren Heizelements 22 mit der Anschlussplatte 23 in Kontakt, der Anschluss 23a ist einstückig/integral mit einer Fläche/Oberfläche der Anschlussplatte 23 gebildet, eine Fläche/Oberfläche der Anschlussplatte 23 steht in Kontakt mit dem planaren Heizelement 22 und die andere Fläche/Oberfläche der Anschlussplatte 23 steht in direkten Oberflächenkontakt mit der Reaktionszelle 9, das heißt der Endzelle.
Die Anschlussplatte 23 wird unter Verwendung eines elektrisch leitenden/leitfähigen und thermisch leitenden/leitfähige Materials hergestellt, und die Anschlussplatte 23 dient als eine Stromabnehmerplatte/Stromsammelplatte, die von der Reaktionszelle erzeugte elektrische Energie in einem Zustand empfängt, bei dem sie direkt mit der Reaktionszelle 9 verbunden ist, und dazu dient, die durch das planare Heizelement 22 erzeugte wärme an die Endzelle zu übertragen.
Wie oben beschrieben, ist die Konfiguration/Anordnung der Endzellen-Heizungsanordnung beschrieben worden, bei der die Bypass-Strömungswege (Gehäuse), das planare Heizelement zum Heizen/Erwärmen der Endzelle, die Stromabnehmer-Anschlussplatte und der Anschluss einstückig/integral montiert/zusammengebaut sind.
In dem Brennstoffzellenstapel 10, bei dem die Endzellen-Heizungsanordnung 20 mit der oben erwähnten Konfiguration eine Anwendung findet, kann die elektrische Energie, die durch die innerhalb des Brennstoffzellenstapels gestapelten Reaktionszelle 9 erzeugt wird, an die Außenseite durch die Anschlussplatte 23 und den Anschluss 23a aus-/abgegeben werden.
Wenn das planare Heizelement 22 einen Heizbetrieb unter einer Kaltstartbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 durchführt, wird thermische Energie/Wärmeenergie direkt an die Endzelle zugeführt, wodurch eine Temperatur der Endzelle schnell erhöht wird.
Wenn die Endzelle durch die Endzellen-Heizungsanordnung 20 erwärmt wird, kann Feuchte/Feuchtigkeit (erzeugtes Wasser), das in der Endzelle eingefroren bleibt, zum Zeitpunkt eines Kaltstarts schnell geschmolzen werden, und die Reaktionsgase fließen/strömen gleichmäßig/reibungslos, so dass ein Spannungsverlust an beiden Enden der Zelle und eine Verschlechterung der Stapelleistung, die durch den Spannungsabfall verursacht wird, verhindert werden können und eine Startzeit verkürzt werden kann.
Wenn die Endzellen-Heizungsanordnung 20 angebracht/installiert ist, kann das Auftreten eines Wärmeverlustes an den Endplatten 11 und 12 mit einer hohen Wärmekapazität während des Betriebs der Brennstoffzelle verhindert werden und ein Wärmeverlust kann während des Heizbetriebs kompensiert/ausgeglichen werden, so dass die Energieerzeugungseffizienz verbessert werden kann und eine gleichmäßige Zellenleistung gewährleistet werden kann.
Die Bypass-Strömungswege 21e und 21f sind einstückig/integral in der Endzellen-Heizungsanordnung 20 vorgesehen, um die Verteilungseigenschaften der Reaktionsgase zu verbessern und um die einströmenden Tröpfchen umzuleiten, so dass die Bypass-Strömungswege 21e und 21f als eine Dummy-Zelle in einem öffentlich bekannten Brennstoffzellenstapel wirken/arbeiten, und als ein Ergebnis können die Verteilungseigenschaften der Reaktionsgase in der Reaktionszelle 9 verbessert werden, ein Einströmen von Tröpfchen kann verhindert werden und Probleme im Stand der Technik, die auftreten, wenn die bestehende Dummy-Zelle eine Anwendung findet, können gelöst werden.
Das heißt, in dem öffentlich bekannten Brennstoffzellenstapel wird die Stromabnehmerplatte der Endplatte mit der metallischen Bipolarplatte der Dummy-Zelle verbunden, und als ein Ergebnis kann ein Spannungsverlust und ein Verlust an elektrische Energie auftreten, wenn die durch die Reaktionszelle erzeugte elektrische Energie durch die metallische Bipolarplatte der Dummy-Zelle, die Stromabnehmerplatte und den Anschluss abgegeben wird, aber in dem Brennstoffzellenstapel 10, bei dem die Endzellen-Heizungsanordnung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Anwendung findet, wird die elektrische Energie der Reaktionszelle 9 durch die direkt mit der Reaktionszelle 9 verbundene Anschlussplatte 23 und dem Anschluss 23a, der die Endplatten 11 und 12 durchdringt, abgegeben, und als ein Ergebnis ist es möglich, die Probleme eines Spannungsverlustes und eines Verlustes an elektrischer Energie, die auftreten, wenn die bestehende Dummy-Zelle mit der dedizierten metallischen Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht angewendet wird, zu lösen.
Darüber hinaus, wenn die Endzellen-Heizungsanordnung im Voraus montiert wird, die Zellen gestapelt werden und dann eine Stapelmontage durchgeführt wird, kann die Endzellen-Heizungsanordnung 20 durch Stapeln und Einfügen/Einsetzen der Endzellen-Heizungsanordnung 20 zwischen die Reaktionszelle 9 und die Endplatten 11 und 12 auf einfache Weise zusammengebaut werden, und als ein Ergebnis ist es möglich, den bestehenden komplizierten Prozess zum Stapeln der Dummy-Zellen wegzulassen, und somit die Produktionszeit zu reduzieren, die Massenproduktion und Produktivität zu verbessern eine fehlerhafte Montage während eines Stapelvorgangs zu verhindern.
Ein Prozess zum Montieren des Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird beschrieben, und in einem Zustand, bei dem die Endzellen-Heizungsanordnung 20 im Voraus montiert wird, werden die Endzellen-Heizungsanordnung 20 und die Endplatten 11 und 12 vorübergehend montiert/zusammengebaut, in dem der Anschluss 23a in die Durchgangslöcher (Bezugszeichen 11b und 12a in 5) der Endplatten 11 und 12 eingefügt werden, oder die Endzellen Heizungsanordnung 20 und die Endplatten 11 und 12 werden einstückig/integral unter Verwendung eines separaten Befestigungsmechanismus zusammengebaut/montiert.
Die Mehrzahl von Reaktionszellen 9 wird an/auf der Anschlussplatte 23 der Endzellen-Heizungsanordnung 20 gestapelt und die gegenüberliegende Endzellen-Heizungsanordnung 20 und die Endplatten 11 und 12, die in der gleichen Art und Weise zusammengebaut werden, werden auf den Reaktionszellen 9 gestapelt.
Wenn der Stapelprozess wie oben beschrieben abgeschlossen ist, werden die Endplatten 11 und 12 an beiden Seiten des Stapels 10 durch Mittel eines öffentlich bekannten Stapelbefestigungsmechanismus (nicht dargestellt) in einem Zustand miteinander verbunden und befestigt, in dem der Stapel 10 zusammengedrückt wird, wodurch die Konfiguration/Anordnung des Stapels einstückig/integral gebildet wird.
In diesem Montageprozess, da der komplizierte Prozess zum Stapeln der Dummy-Zellen im Vergleich zum bestehenden Prozess weggelassen wird, ist es möglich, eine fehlerhafte Montage zu verhindern und die Produktionszeit in hohem Maße zu reduzieren.
Die Offenbarung ist unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt ist.

Claims

Endzellen-Heizungsanordnung, aufweisend: ein Gehäuse, das eine erste Fläche aufweist, die mit einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist; ein planares Heizungselement, das in einer in einer zweiten Fläche des Gehäuses gebildeten Aufnahmenut angebracht ist; eine Anschlussplatte, die zwischen dem planaren Heizungselement und einer Endzelle des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt ist, mit der Endzelle zusammengeführt und elektrisch verbunden ist und durch das planare Heizungselement erzeugte Wärme an die Endzelle überträgt; und einen Anschluss, der einstückig mit der Anschlussplatte gebildet ist, um so elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt und durch die Anschlussplatte übertragen wird, nach außen abzugeben.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei Bypass-Strömungswege, die mit einem Lufteinlassverteiler oder eine Wasserstoffeinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen, in dem Gehäuse gebildet sind, und die Bypass-Strömungswege jeweils mit dem Luftauslassverteiler oder dem Wasserstoffauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen und vorgesehen sind, um Luft oder Wasserstoff, die durch das Innere der Bypass-Strömungswege strömen, an die jeweiligen Auslassverteiler abzuführen.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei, in dem Gehäuse, eine Lufteinlass-Verteileröffnung, die mit einem Lufteinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, oder eine Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung, die mit einem Wasserstoffeinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, vorgesehen ist, eine Luftauslass-Verteileröffnung, die mit einem Luftauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, oder eine Wasserstoffauslass-Verteileröffnung, die mit einem Wasserstoffauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, vorgesehen ist, und ein Luft-Bypass-Strömungsweg, der die Lufteinlass-Verteileröffnung und die Luftauslass-Verteileröffnung verbindet, oder ein Wasserstoff-Bypass-Strömungsweg, der die Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung und die Wasserstoffauslass-Verteileröffnung verbindet, vorgesehen ist.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt ist.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse aus einem elektrisch und thermisch nicht-leitenden Material hergestellt ist.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Wärmedämmungsschicht, die zwischen dem planaren Heizelement und einer Innenfläche der Aufnahmenut des Gehäuses gestapelt und eingefügt ist.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das planaren Heizelement umfasst: ein Heizelement, das einen Heizbetrieb durchführt, indem es mit elektrischer Energie von einer Stromquelle versorgt wird; und eine Hülle, die das Heizelement abdeckt, um das Heizelement von der Außenseite elektrisch zu isolieren.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Anschluss das planare Heizelement, das Gehäuse und die Endplatte von der Anschlussplatte durchdringt.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei ein Temperatursensor an dem planaren Heizelement angebracht ist und eine Steuerung ein Signal von dem Temperatursensor empfängt und einen Betrieb des planaren Heizelements steuert.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das planare Heizelement ein Heizelement unter Verwendung eines PTC-(Positive Temperature Coefficient)Elementes ist.
Endzellen-Heizungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle der Brennstoffzellenstapel ist und den Heizbetrieb durchführt, indem sie mit elektrischer Energie versorgt wird, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird.
Brennstoffzellenstapel, aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die durch Stapeln derselben bereitgestellt wird, und elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, indem sie mit Reaktionsgasen versorgt wird; Endplatten, die an beiden in Positionen des Brennstoffzellenstapels außerhalb der gestapelten Brennstoffzellen gestapelt sind; und eine Endzellen-Heizungsanordnung, die zwischen Endzellen, die an beiden Enden unter den gestapelten Brennstoffzellen angeordnet sind, und Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt sind, um Wärme an die jeweiligen Endzellen zu liefern, um eine Temperatur der Endzellen zu erhöhen, und einen Bypass-Strömungsweg aufweisen, so dass zumindest ein Gas aus Luft und Wasserstoff, die an den Brennstoffzellenstapel als Reaktionsgase zugeführt werden, an den Bypass-Strömungsweg verteilt und durch diesen hindurch strömt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Endzellen-Heizungsanordnung umfasst: ein Gehäuse, das eine erste Fläche aufweist, die mit einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist; ein planares Heizungselement, das in einer in einer zweiten Fläche des Gehäuses gebildeten Aufnahmenut angebracht ist; eine Anschlussplatte, die zwischen dem planaren Heizungselement und einer Endzelle des Brennstoffzellenstapels gestapelt und eingefügt ist, mit der Endzelle zusammengeführt und elektrisch verbunden ist und durch das planare Heizungselement erzeugte Wärme an die Endzelle überträgt; und einen Anschluss, der einstückig mit der Anschlussplatte gebildet ist, um so elektrische Energie, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt und durch die Anschlussplatte übertragen wird, nach außen abzugeben.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei Bypass-Strömungswege, die mit einem Lufteinlassverteiler oder eine Wasserstoffeinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen, so dass Luft oder Wasserstoff von dem Lufteinlassverteiler oder dem Wasserstoffeinlassverteiler an die Bypass-Strömungswege verteilt wird und durch diese hindurch strömt, in dem Gehäuse gebildet sind, und die jeweiligen Bypass-Strömungswege mit dem Luftauslassverteiler oder dem Wasserstoffauslassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen und vorgesehen sind, um Luft oder Wasserstoff, die durch das Innere der Bypass-Strömungswege strömen, an die jeweiligen Auslassverteiler abzuführen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei, in dem Gehäuse, eine Lufteinlass-Verteileröffnung, die mit einem Lufteinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, oder eine Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung, die mit einem Wasserstoffeinlassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, vorgesehen ist, eine Luftauslass-Verteileröffnung, die mit einem Luft Auslassverteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, oder eine Wasserstoffauslass-Verteileröffnung, die mit einem Wasserstoffauslass Verteiler des Brennstoffzellenstapels in Verbindung steht, vorgesehen ist, und ein Luft-Bypass-Strömungsweg, der die Lufteinlass-Verteileröffnung und die Luftauslass-Verteileröffnung verbindet, oder ein Wasserstoff-Bypass-Strömungsweg, der die Wasserstoffeinlass-Verteileröffnung und die Wasserstoffauslass-Verteileröffnung verbindet, vorgesehen ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei das Gehäuse aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei das Gehäuse aus einem elektrisch und thermisch nicht-leitenden Material hergestellt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, ferner aufweisend: eine Wärmedämmungsschicht, die zwischen dem planaren Heizelement und einer Innenfläche der Aufnahmenut des Gehäuses gestapelt und eingefügt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei das planare Heizelement umfasst: ein Heizelement, das einen Heizbetrieb durchführt, indem es mit elektrischer Energie von einer Stromquelle versorgt wird; und eine Hülle, die das Heizelement abdeckt, um das Heizelement von der Außenseite elektrisch zu isolieren.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei der Anschluss das planare Heizelement, das Gehäuse und die Endplatte von der Anschlussplatte durchdringt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei ein Temperatursensor an dem planaren Heizelement angebracht ist und eine Steuerung ein Signal von dem Temperatursensor empfängt und einen Betrieb des planaren Heizelements steuert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, wobei das planare Heizelement ein Heizelement unter Verwendung eines PTC-(Positive Temperature Coefficient)Elementes ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, wobei die Endzellen-Heizungsanordnung eine autarke Stromquelle des Brennstoffzellenstapels verwendet und den Heizbetrieb durchführt, indem sie mit elektrischer Energie versorgt wird, die durch die Brennstoffzellen als elektrischer Strom erzeugt wird.